Théorie: Détecter une quatrième dimension spatiale de l'Univers

Des scientifiques des universités de Duke et de Rutgers viennent de développer un cadre mathématique qui devrait, selon eux, permettre aux astronomes de tester une nouvelle théorie à cinq dimensions de la gravitation, théorie en concurrence avec la relativité générale d'Einstein.


Charles R. Keeton de Rutgers et Arlie O. Petters de Duke basent leurs travaux sur une théorie récente appelée "modèle du Braneworld Randall-Sundrum de type II". Cette théorie soutient que l'univers visible est une membrane (d'où le mot "Braneworld") encastrée dans un univers plus grand, un peu comme une algue qui flotte dans l'océan. L'univers "Braneworld" possède cinq dimensions, quatre dimensions spatiales et une dimension temporelle, s'opposant en cela aux quatre dimensions, trois d'espace, plus le temps, proposées par la théorie de la relativité générale.

Le cadre que Keeton et Petters ont développé prévoit certains effets cosmologiques qui, s'ils sont observés, pourraient permettre aux scientifiques de valider cette théorie. Les observations, ont-ils indiqué, devraient être possibles à l'aide des prochains observatoires spatiaux. Selon Peters, si la théorie du Braneworld est vérifiée, elle confirmerait l'existence d'une quatrième dimension de l'espace, ce qui modifierait profondément notre compréhension du monde: le modèle de Randall-Sundrum est une description mathématique de la façon dont la gravitation sculpte l'univers, qui diffère de celle offerte par la théorie de la relativité générale.

Une multitude de mini trous noirs

Keeton et Petters se sont concentrés sur une de ses conséquences qui la distingue de la théorie d'Einstein. La théorie du Braneworld prévoit que des "trous noirs" relativement petits, produits lors de la prime jeunesse de l'Univers, ont survécu jusqu'à aujourd'hui. Ces trous noirs, équivalents à de minuscules astéroïdes, feraient partie de la "matière sombre" de l'univers. Comme son nom l'indique, la matière sombre n'émet ni ne réfléchit la lumière, tout en exerçant une force de gravitation sensible. La théorie de la relativité, pour sa part, prévoit que de tels trous noirs primordiaux n'existent plus, car ils devraient s'être vaporisés depuis le moment de leur formation.

"Quand nous avons estimé à quelle distance les trous noirs du Braneworld pourraient être de la Terre, nous avons été étonnés de constater que les plus proches se trouveraient largement à l'intérieur de l'orbite de Pluton", indique Keeton. "Et si même ces trous noirs ne représentent qu'un pour cent de la matière sombre dans notre secteur de la galaxie, ce qui est une estimation prudente, alors il pourrait en exister plusieurs milliers dans notre propre Système Solaire", ajoute Petters.

Mais les trous noirs du Braneworld existent-ils réellement et représentent-ils donc une vérification pour cette théorie à cinq dimensions ?

Observer les franges des rayons gamma

Les scientifiques ont montré qu'il devrait être possible de répondre à cette question en observant les effets que les trous noirs du Braneworld exerceraient sur les rayonnements électromagnétiques que nous recevons d'autres galaxies. Les trajectoires de telles radiations passant à proximité d'un de ces trous noirs seraient modifiées par les forces de gravitation énormes de l'objet, par l'effet appelé "lentille gravitationnelle".

Selon Keeton, il faudrait détecter l'action de ce phénomène sur le rayonnement émis par les sursauts gamma. Ces flashs de rayons gamma sont produits par d'énormes explosions dans tout l'univers. Les deux scientifiques ont calculé que les trous noirs du Braneworld modifieraient la trajectoire des rayons gamma de la même manière qu'une roche dans un étang entrave le passage des ondes. La présence de la roche génère une "figure d'interférence" dans son sillage dans laquelle certaines crêtes sont plus hautes, certaines cuvettes sont plus creuses, et enfin certaines crêtes et cuvettes s'annulent les unes les autres. La figure d'interférence résultante porte la signature des caractéristiques de la roche et de l'eau.

De la même façon, un trou noir du Braneworld produirait une figure d'interférence pour un faisceau de rayons gamma qui le frôlerait dans sa route vers la Terre. Les chercheurs prédisent la présence de franges lumineuses et sombres dans la figure, qui fourniraient un moyen de déduire les caractéristiques de ces trous noirs et, par voie de conséquence, de la structure de l'espace et du temps: "Nous avons découvert que la signature d'une quatrième dimension apparaît dans les figures d'interférence", explique Petters. "Cette dimension spatiale supplémentaire produit une contraction entre les franges par rapport à ce que l'on obtiendrait avec la relativité générale". Les chercheurs précisent que leurs prévisions s'appliqueraient à tous les trous noirs du Braneworld, qu'ils soient situés dans notre Système Solaire ou au-delà.

Petters et Keeton ont indiqué qu'il devrait être possible de mesurer le profil des franges prédites pour les rayons gamma en utilisant le télescope spatial GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope), qui devrait être lancé en août 2007. "Si la théorie du Braneworld est correcte", disent-ils, "il devrait exister un nombre extraordinaire de trous noirs de ce type à travers tout l'univers, et chacun d'eux porterait la signature d'une quatrième dimension spatiale".